熱成形工藝在汽車輕量化中的應用研究（可編輯） .doc

學校代號:學 號:級:公開密湖南大學碩士學位論文車輕量化中的熱成形工藝在汽應用研究詮文提童旦期; 生墮?且上上一生墮?旦魚詮窒筌整目期;.,湖南大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。日期:弘年;月日作者簽名:丫慨伺學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于.保密口,在 年解密后適用本授權書。.不保密留。請在以上相應方框內打“”作者簽名:略月伊日厲髫翻 日期:枷口年日期:導師簽名: 汐日月枷/年橢黲糕豢摹鬻司驢警瓣矧名萏藩&蟊薔螽熱成形工藝在汽車輕量化中的應用研究摘要隨著能源危機、交通安全和環(huán)境污染的日趨嚴重,節(jié)能、安全、環(huán)保已成為世紀世界汽車工業(yè)發(fā)展的三大趨勢。汽車輕量化技術是實現該目標的有效途徑之一。優(yōu)化車身結構設計和采用輕量化材料是汽車輕量化的兩大有效途徑。其中,輕量化材料包括新型輕質材料和超高強度鋼材料。一方面,新型輕質材料,如鋁合金、鈦合金碳纖維等的不斷涌現,為輕量化技術的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間;另一方面,熱成形工藝的出現,使得抗拉強度在以上的超高強度鋼材料在車身上的應用越來越廣泛。本文主要內容包括以下幾方面:論述了熱成形模具冷卻系統(tǒng)設計的基本要求,并基于傳熱學原理計算了冷卻管段直徑與冷卻管道根數之間應滿足的關系式;基于材料的彈塑性,建立了冷卻管道間距應滿足的力學關系式;并將冷卻管道模具的力學模型簡化為簡支梁,根據彎曲強度校核條件,建立了冷卻管道與承載型面間距應滿足的公式。最后基于上述關系式,設計了“中氣”轎車車門防撞梁熱成形模具。基于 軟件,創(chuàng)新性地將體積流法應用到冷卻系統(tǒng)建模中,建立了熱成形板料、模具及冷卻水流之間的熱力耦合模型。在此基礎上取車門防撞梁中間一段“”型樣件,對其成形和淬火過程進行熱力耦合數值模擬,得出了冷卻水流速、冷卻管道直徑、板料初始溫度、模具溫度及沖壓速度等工藝參數對熱成形工藝的影響規(guī)律;根據成形終了和保壓淬火終了時刻板料應力場和溫度場的分布,優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)布局及熱成形工藝參數。最后論述了板料初始溫度、模具溫度變化及不同沖壓速度對熱成形工藝的影響。參考車門防撞梁國內外法規(guī),對普通高強鋼冷成形車門防撞梁和熱成形車門防撞梁進行了靜態(tài)承載性能和動態(tài)抗沖擊吸能性能的對比研究。研究表明,熱成形防撞梁具有優(yōu)異的靜態(tài)承載性能和動態(tài)抗沖擊吸能性能,因此,采用熱成形工藝不僅可以提高汽車安全性能,還能有效減輕車身重量,實現汽車的輕量化。本文以“中氣”轎車前門防撞梁為研究對象,設計了熱成形專用模具,運用上述體積流法實現了板料、模具和冷卻水流間的熱力耦合模擬,并開發(fā)熱成形模具驗證了冷卻系統(tǒng)設計方法和體積流法的有效性。本文是工程應用性課題,在熱成形模具的前期開發(fā)中,運用本文論述的冷卻系統(tǒng)設計與模擬方法,可以有敝縮短模具開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。關鍵詞:汽車輕量化;熱成形;超高強度鋼;數值模擬;體積流法;熱力耦合, ,.,. ., ,; , , , . :. ,., ,;. ,., ” . ? ,. .,”,? ., , , ,.,. ,羹戳黼鬟 “祭鴛嗲魍戇豢.。., .,. . ”. . , ,:; ;碩士學位論文目錄學位論文原創(chuàng)性聲明和學位論文版權使用授權書?摘要.?.?.?.第章緒論.引言?.國內外研究現狀?.汽車輕量化的發(fā)展歷史.熱成形工藝的發(fā)展歷史及研究現狀.超高強度鋼板及其熱成形技術.高強鋼板的分類?.熱成形工藝原理與分類.熱成形工藝的優(yōu)點?.超高強度鋼在車身上的應用.課題背景與意義?.課題主要研究內容.第章金屬板料熱成形機理?.金屬熱塑性加工中的傳熱學理論.熱能傳遞的基本形式?.塑性變形過程中的傳熱學基本方程.熱傳導變分原理及有限元求解式?.熱成形過程的熱力耦合分析?.熱塑性金屬材料特性.硼鋼性能試驗?一. 曲線的測定.金屬材料熱成形機理?.本章小結?第章熱成形數值模擬及工藝參數影響規(guī)律研究.熱成形模具冷卻系統(tǒng)設計.冷卻系統(tǒng)的設計要求?一.冷卻管道最小直徑計算?一.冷卻管道位置參數計算?一黼濺冀糍螄搿簿糍蹩瞬黲瞪一鎰濯溪灞滋鬟囊掣甑阮驥霪敷醛鬻程鷲毪“揖罐 搿.勛爭饕釅赫赫熬墨蕞碡擰燕蜒薪翟鼎掩譬抽彥睡警姆軒掉當季荽睪熬黜群漆 薯, 鞠囂一鬻科蟄囂滯糍敬國瞪辮蜘融艇 。,.日牲鞴驂罄器婦釋幅婚槽滯冀穗鼴鞲蒯鶘囂瓣懿戮鬣蓉越蓓醪“赫黼糕撼器舅輔.避娶露甚皇熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究.車門防撞梁熱成形模具冷卻系統(tǒng)設計.有限元模型.材料模型?.單元類型.熱邊界條件一.接觸模型?一.熱成形數值模擬?.體積流法?.有限元建模.冷卻水流速的確定一.冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計一.實驗驗證?.工藝參數對熱成形的過程影響?.板料初溫對熱成形工藝的影響.模具溫度對熱成形工藝的影響.沖壓速度對熱成形工藝的影響.本章小結?.第章熱成形超高強鋼車前門防撞梁力學性能分析.前門防撞梁力學性能研究:療法?.前門防撞梁的主要形式?一.前門防撞梁試驗方法與法規(guī)?一.前門防撞梁靜態(tài)承載性能.準靜態(tài)三點彎曲數值模擬一.數值模擬與結果分析?.前門防撞梁抗沖擊吸能性能?.抗沖擊數值模擬.數值模擬與結果分析?一.本章小結?結論與展望?參考文獻附錄攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學術論文目錄致 謝?一碩士學位論文第章緒論.引言隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,世界汽車保有量在迅速增長,使得世界范圍內面臨著能源危機,交通安全和環(huán)境污染三大問題。節(jié)能、安全和環(huán)保已成為世紀普遍關注的問題。研究表明,汽車重量每減輕%,可節(jié)省燃油%,汽車輕量化。技術是實現這一目標的有效途徑之一車身重量一般占整車重量的%,所以車身的輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用【】。汽車輕量化的兩種有效途徑是【】:一、優(yōu)化車身結構設計;二、使用新型輕質或高強度鋼材料。世界汽車工業(yè)經過一百多年的發(fā)展,車身結構日趨成熟,布局已經相當緊湊,因此,車身結構的改進空間已經非常狹小。然而,隨著多學科、學科交叉領域的發(fā)展,新型材料不斷涌現,為汽車輕量化的發(fā)展提供了廣闊空間。另一方面,高強度和超高強度鋼的開發(fā)和應用,使汽車輕。量化技術的發(fā)展邁向了一個新的臺階普通高強度鋼的抗拉強度一般在之間,在傳統(tǒng)的冷沖壓成形過程中極易發(fā)生拉裂等成性缺陷,且成形后回彈量較大,得到的零件形狀和幾何精度較低【,】。由于高溫下材料塑性、變形抗力小,且模內淬火后制件回彈較小,因此,熱成形工藝具有成形性好、變形抗力小、成形精度較高等技術優(yōu)勢。熱成形技術則能很好地解決冷成形過程中的這些問題。熱成形工藝通過將板料加熱到高溫狀態(tài),然后在專用熱成形模具上快速成形并保壓淬火,可以得到抗拉強度在以上的零件【】。超高強度鋼制件在車身上的應用使得車身力學性能提高的同時,重量得以減輕。目前,車身上越來越多的零部件開始采用熱成形工藝,如:柱、柱、柱、側門防撞梁、門檻加強梁、前保險杠等?。.國內外研究現狀.汽車輕量化的發(fā)展歷史近年來,隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展,汽車保有量迅速增加,消耗了大量的石化燃料,加劇了環(huán)境的污染,也增加了汽車的使用成本。如今,低能耗,輕量化,低污染和高安全己成為汽車工業(yè)發(fā)展的主流趨勢?。為了節(jié)約能源、減小排量和滿足各國的環(huán)境保護法規(guī),同時也為了增強在汽車市場上的競爭力,以滿足人們對汽車性能越來越高的要求,世界各國的汽車工業(yè)都在探索各種有效的途徑,汽車輕量化已成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的主要趨勢之一。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究.高強鋼輕量化車身年,為提高鋼鐵材料相比其它材料在車身上應用的競爭地位,國際鋼鐵協(xié)會組織世界個國家家鋼鐵公司并委托公司,持巨資開展了超輕質鋼車身曲 項目。開發(fā)出的超輕質鋼車身質量為,比同級別轎車車身質量平均減輕%,與此同時車身扭轉剛度提高了%,彎曲剛度提高%,車身第一階固有頻率上升到,并且完全滿足碰撞安全性法規(guī)要求。年開始,又開展了超輕鋼汽車附件項目。通過將車門結構改用無框架形式,同時車門外板和車門管件均采用高強度鋼制造,在滿足所有結構性能要求的前提下減輕車門質量%,而制造成本僅為美元。年鋼鐵企業(yè)又實施超輕鋼車身.先進汽車. 計劃,總投入萬美元,進一步從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料的汽車結構。在.項目中,白車身%使用高強度鋼板,其中超過%為先進高強度鋼板.雙向鋼成為車身主要制造材料。國內近年來在汽車用高強鋼的開發(fā)與應用方面也取得較大進展,例如寶鋼已經形成、及等多種商業(yè)化供貨能力的高強度鋼板品種,涵蓋了國外當前生產的主要品種,這表明國產高強度鋼系列已經初步形成。中國第一汽車集團將寶鋼生產的級高強度鋼板應用于載貨車左、右車門內板、下后圍和左右翼子板等零件。神龍汽車公司富康轎車的地板橫梁加強板、車門鉸鏈固定板、油箱固定板及發(fā)動機支架等也應用了高強度鋼板。.鋁合金輕量化車身奧迪公司最早于 年在 和 型轎車上使用了鋁制車門,并于年開發(fā)了具有里程碑意義的第一代全鋁空間框架,。 全鋁車身質量減輕%,車身的靜態(tài)扭轉剛度提高%。年使用第二代空間框架的問世【,并批量生產,車身質量比傳統(tǒng)鋼制車身輕%以上。圖.【是和全鋁合金車身框架。年,該設計中心又誕生了第二代奧迪。改進后的全鋁車身框架,剛度提高%,焊點減少%,重量比競爭對手輕,以此帶來更大的靈活性、安全性和平穩(wěn)。碩士學位論文圖. 和全鋁合金車身框架?公司年面市的是一體式的鋁車身結構單體構造車身,車身在融入輕量化設計理念之后,重量僅有公斤。采用此種結構的還有美洲豹新款“型轎車 和福特公司的轎車圖.【,汽車總共使用鋁臺金,比傳統(tǒng)鋼制汽車減輕。圖. 鋁合金單體構造車身們綜合與單體構造車身結構的優(yōu)點,本田公司開發(fā)了復合結構全鋁車身【 ,最大限度的發(fā)揮鋁合金的優(yōu)勢。與鋁合金單殼體車身車相比,%,焊點少%。此外,與三門鋼車身鋁復合車身所用的零件少%,車相比,白車身的質量減小%,而扭轉剛度提高%,彎曲剛度提高同時具有很好的碰撞安全性。車身使用了通用汽車公司開發(fā)的五座轎車使用鋁合金制造車身【鋁擠壓型材、鋁合金板及鋁壓鑄件,與傳統(tǒng)鋼結構車身相比,。的車身質量減輕%我國鋁礦產資源豐富,經過幾十年的發(fā)展,己形成了一個較完整的鋁工業(yè)體系但是,我國汽車用鋁合金比例仍然很小。我國汽車用鋁與國際水平差距較大。近年來,我國汽車工業(yè)的發(fā)展,特別是轎車和輕型車的發(fā)展,將促進我國汽車工業(yè)整體技術的進步,使國產汽車在設計制造和新材料、新技術的研究開發(fā)和應用方面躍上新的臺階,輕合金的開發(fā)應用亦會得到長足進展。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究.其他輕質材料在車身輕量化中的應用除了高強度鋼和鋁合金外,鎂合金、復合材料等輕質材料在車身上也得到一定程度的應用。目前汽車工業(yè)鎂合金用量最多的國家和地區(qū)主要包括北美、歐洲、日本和韓國,這些鎂合金主要用來制造一些零部件,而在車身上的應用逐漸由儀表板拓展到車門、車頂以及其他結構部件。復合材料在整車車身上有一些應用,如通用公司的等研制成功一款復合材料白車身,在滿足包括靜剛度、耐久性、碰撞安全性等結構性能要求前提下,比傳統(tǒng)鋼車身質量減輕了%。 年,克萊斯勒推出了復合材料概念車,在節(jié)省加工時間約%的同時,質量減輕%。新型的奔馳級車上總共使用了塑料及復合材料,其中有的車身外零部件。綜上所述,目前車身用材料仍以普通鋼材為主,然而隨著汽車輕量化的不斷發(fā)展,世界各大汽車制造商對汽車輕量化材料的研發(fā)投入越來越大。隨著人們汽車安全性的重視,車身上越來越多的零部件改用高強鋼材料。與此同時,鋁合金、鎂合金、復合材料等輕質材料在車身上的應用也越來越廣泛。.熱成形工藝的發(fā)展歷史及研究現狀、,年,瑞典公司提出了一項熱沖壓成形專利 ,用于制造鋸片和割草機刀片。 年,汽車公司在上首次采用了淬火硼鋼材料經熱成形生產的零件【】。近年來,世界各國汽車業(yè)投入大量的精力來開展高強度鋼板熱成形技術的研究。在熱成形的材料特性與試驗研究中,對超高強度鋼的研究表明在熱成:形中當使用水冷模具時、和等硼合金鋼是能生成完:全的馬氏體微觀組織的最適合的鋼種【?,其中,鋼在熱沖壓成形工藝中應用最為廣泛,初始狀態(tài)時,材料是鐵素體和珠光體微觀組織,其拉伸強度約為,經熱成形工藝之后,材料轉變形成馬氏體組織,拉伸強度升高到約。板料和模具內的溫度分:布在熱成形工藝中起著重要作用,通過有限元仿真來預測熱成形零件的力學特性需要對成形和淬火過程中的熱現象及熱邊界條件進行精確的建模。年,等】的研究表明板料整個成形過程中,板料在成形和冷卻階段的熱傳遞系數:受接觸壓力和板料溫度,以及表面質量鍍層厚度,粗糙度等的影響,此外,還需要考慮板料由于熱對流和熱輻射造成的熱損耗。由于基體材料的力學特性依賴于溫度,在考慮熱成形的有限元建模中,溫度;是一個很重要的參數。為決定熱傳遞系數,年,.等【開發(fā)了一套冷卻壩士學位論文試驗模具,加熱后的板料在恒定接觸壓力的作用下,以水冷方式對板料進行淬火,試驗中,同時記錄板料和模具的溫度,測量獲得的數據表明接觸條件相關的熱傳遞系數可以用符合牛頓冷卻定律的解析模型來描述。此外,在熱成形工藝中必須考慮奧氏體到馬氏體的相變。年,等【】研究表明在奧氏體向鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的組織轉變過程中,微觀組織的體積分數變化能夠通過各向同性轉變應變來描述,相變造成了體積變化,其影響和熱應變增量的作用類似。如果在未施加應力條件下發(fā)生相變,材料響應是純體積的,在母相和子相之間的致密度差異造成了體積增加。當在外應力作用下發(fā)生轉變,就會造成了不可逆的塑性變形, 年,和】的研究表明轉變誘導塑性主要取決于奧氏體和最終各組成相分數。 年,等【提出了能考慮轉變塑性的模型,在奧氏體中引入了微應力來產生塑性應變。年,【 進一步將該模型應用到數值建模中。此外,由于材料的這些微觀組分的形態(tài)是顯著不同的,在研究材料的勻質宏觀行為時如何考慮新相的連續(xù)演變和變形歷史成為一個難點。熱成形是在熱力耦合作用下使材料變形并發(fā)生相變以獲得特定組分的成形工藝過程。最終的產品性能和質量取決于溫度歷史和力學變形和相組分演變。在固態(tài)相變中,潛熱釋放,影響了熱場,同時,微觀組分的演變,力學和熱特性又隨溫度和變形而變化。因此,在有限元仿真中必須考慮熱、力、微觀場的相互作用。年,和【 對高溫時金屬的流動行為建模,采用有限元法對金屬熱力耦合變形進行了分析,提出的模型考慮了金屬大變形成形過程中的初始各向異性和溫度相關性。年,和 】采用熱拉伸試驗測定了的流動行為,以確定工藝相關條件下材料的熱力特性,研究表明在高溫奧氏體狀態(tài)下除了應變,應變率、溫度、溫度變化率對材料的流動特性有很大的影響。年,和】在熱拉伸試驗中,觀察到除了溫度和應變率對材料的熱力特性有顯著影響外,塑性各項異性也具有溫度相關性,在溫度范圍為.時,板料:呈現出幾乎各項同性塑性行為,各項異性可以忽略。對熱力成形仿真中,提出了大量的半經驗或基于物理的模型描述材料的流動應力。年,等【的研究表明.模型和.模型不能很好的預測在大的等效塑性應變區(qū)的流動應力增加飽和現象,而.模型能夠與試驗數據得到較好的擬合。在等【】的研究中指出,不能較好的預測在相對大的應變時的流動應力值是.模型的主要缺陷。.關系的預測和試驗數據吻合較好,該模型預測了在應變?yōu)?時流動應力的早期飽和現象。.模型能夠通過內參數的演變規(guī)律考慮歷史效應,如應變率和溫度歷史的迅速變化,對研究的熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究材料,.模型預測了塑性應變大于. 后的流動應力飽和。模型在塑性應變小于.時與的試驗數據吻合較好。等瞄提出了包含馬氏體演變過程中相變的流動行為連續(xù)模型,并將其應用于有限元仿真中,基于實際的相組分演變并考慮了相變過程中的潛熱,體積變化和轉變塑性,這一模型較好的描述了材料的熱力特性,材料模型和試驗數據的比較表明對在奧氏體狀態(tài)下的材料建立切合實際的流動行為模型是可行的。在傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝中,材料成形性是通過成形極限曲線來描述的。成形極限曲線表征了從平衡雙軸到純剪切不同應力狀態(tài)下板料變形發(fā)生拉裂和起皺的臨界狀態(tài)。然而,在高溫成形時,材料成形性不僅受應變影響,同時還受變形過程中溫度、應變率和微觀組織變化的影響。在高溫成形中,為了確定溫度相關的成形極限曲線,需要改造傳統(tǒng)的試驗裝置,必須在凸模、凹模和壓邊圈中加入熱電偶來控制板料和設備的溫度。和試驗是最常用于高溫材料成形性評價的試驗,這兩種試驗的主要區(qū)別在于:前者是采用半球形的沖模形狀,后者是采用平的沖模底部形狀【。試驗時,處于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體相的金屬板料經歷了熱.力載荷,在不同溫度和不同的應變和應變率路徑條件下測試直到發(fā)生拉裂【】。年,等【】的研究表明與初始的鐵素體、珠光體微觀組織比較,加熱后的奧氏體組織具有更多的滑移系是熱成形中材料的性能變化及提高的原因。年,等 的研究指出初始板料溫度越高或板料越厚,在平面應變條件下的臨界失效應變越高。.超高強度鋼板及其熱成形技術.高強鋼板的分類汽車用鋼板根據不同的標準有不同的分類:根據抗拉強度可以分為如下三類:低強度車,;高強度鋼,:;超高強度鋼,。根據冶金設計,可以分為如下幾類:低強度鋼:鋼,軟鋼;傳統(tǒng)高強度鋼:鋼、烘烤硬化鋼、無間隙高強度鋼.、高強度低合金鋼;高級高強度鋼:雙向鋼,鋼,復相鋼、馬氏體鋼。如圖.所示為各種汽車用鋼的強度與延僻率的關系。碩士學位論文圖.汽車用鋼的強度與延伸率【.熱成形工藝原理與分類.熱成形工藝原理熱成形工藝的基本原理是首先將常溫下抗拉強度為的可淬火用硼鋼板在加熱爐內加熱到再結晶溫度。以上,并保溫一段時間,使板料內部組織均勻奧氏體化,然后快速移至帶冷卻水道的熱成形專用模具上沖壓成形,并在模具型腔內保壓淬火 秒,最后獲得在室溫下具有均勻馬氏體組織、抗拉強度可達的超高強度沖壓件。因此,熱成形工藝是一種有效解決高強度鋼板沖壓成形的新型方法。如圖.,熱成形工藝過程一般可分為:將板料在加熱爐內加熱到再結晶溫度約以上,并保溫一段時間使其均勻奧氏體化。文獻研究表明,當板料被加熱到。,并在此溫度下保溫分鐘可獲得晶粒細小、均勻的奧氏體組織。板料轉移。為了防止高溫板料在空氣中氧化和保證板料在較高溫度下成形,應將板料從加熱爐內快速取出;板料放置與定位。由于高溫板料在重力作用下的變形撓度很大,為最大限度避免毛坯在沖壓之前過早地與模具表面接觸以減小溫降、提高熱沖壓成形性,。需要設計專門的支撐機構來支撐毛坯【快速成形。由于板料高溫下的變形抗力較小,高溫下成形可降低壓機噸位。保壓淬火。成形結束后,使板料在模具型腔內保壓淬火 ,從而得到馬氏體組織均勻、力學性能優(yōu)良且?guī)缀纬叽缇容^高的制件。文獻研究表明,為保證制件組織由奧氏體向馬氏體組織轉變過程中不出現鐵素體和珠光體組織的雜質,模具對制件的冷卻速率應不低于/臨界冷卻速率,如圖.熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究所示。.板料加熱.轉移 .放置與定位 .成形 .淬火圖.熱成形工藝流程【】蛐:蕊心、:啪:、.琳珂率心船盔蝴五烈 囂主啪口。薹掣。一一、 ; 毫 茹函 。伽。圖. 鋼曲線圖.熱成形工藝分類在實際的生產中,根據制件的形狀復雜程度,一般又將制件的熱成形工藝分為直接成形工藝和間接成形:工藝兩大類,如圖【.【 。直接熱成形工藝是指,將下料后的板料加熱后直接一次成形,并保壓淬火的工藝。該工藝主要用于形狀簡單、變形程度較小的零件。其在實際生產中應用非常廣泛,如,車身上大部分起安全加強作用的部件均可以通過這種方法制得。與直接成形工藝不同的是,間接成形工藝是將板料在加熱之前在冷沖壓模具上預先成形至零件最終幾何尺寸的%石,然后再將板材進行加熱奧氏體化、成形及保壓淬火。由于進行了附加的預成形處理,間接成形工藝可以生產形狀相對復雜的零件。碩士學位論文颮直接成形工藝嚴萬睫偶墨鵑一.蘭二間接成形工藝圖.熱成形工藝分類.熱成形工藝的優(yōu)點與傳統(tǒng)冷成形技術相比,熱成形技術在車身上的應用具有諸多優(yōu)勢,主要體現在以下幾方面】:通過快速冷卻淬火,熱成形后制件強度得到大幅提高。從而在不降低車身碰撞安全性能的前提下減小零件厚度,減少零部件數量,實現車身的有效減重,進而達到節(jié)能減排的目的。成形性優(yōu)良。材料在高溫下塑性好,變形抗力小,延伸率高,可成形冷沖壓無法成形的復雜零件,還可以將冷沖壓需要多道工序、多套模具成形的零件實現一次成形。降低壓機噸位。溫度對熱成形用材料流變應力影響顯著,隨著溫度的升高,材料的流變應力變小。當溫度升至。時,材料的流變應力降至左右,因此,高溫下快速成形可以減小成形力,降低壓機噸位。從而減少設備投資成本。尺寸精度較高。回彈一直是造成冷沖壓成形缺陷的主要原因之一。尤其是高強鋼制件成形后的回彈量較大。而利用熱成形工藝幾乎可以完全消除制件成形后的回彈,從而得到幾何精度較高的制件。零件表面硬度、抗凹性和剛度好。.超高強度鋼在車身上的應用近年來,熱成形技術在汽車車身上得到越來越廣泛的應用,主要應用于柱,柱,柱,保險杠加強梁,車門防撞桿,門框加強梁和中通道等承載結構件。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究該技術已成為實現車身輕量化的主要方法之一,如圖.【。圖.是全球汽車車身熱成形零件的增長趨勢,可見,在現代汽車車身設計制造中熱成形零件的應用顯著增加【。攀疆側蘩圖.熱成形工藝在車身構件中的應用圖.熱成形零件應用增長趨勢【】熱成形工藝將材料熱處理與板料成形的優(yōu)點相結合,能顯著的改善高強度和超高強度鋼的成形性,提高零件的力學性能,組織特性和零件的形狀精度。近年來,熱成形得到了科學界和工程界的廣泛關注,該技術已成為國內外廣大學者研究的熱點。.課題背景與意義根據大量研究表明,當整車質量減輕%時,汽車的燃油經濟性可提高.%,加速時間減少%,排放量減少.%,制動距離減少%,輪胎壽命提高%,轉向力減小%。白車身是整個汽車零部件的載體,其重量約占整車的%。因此,車身的輕量化是實現整車輕量化的重點和關鍵?？梢哉f,輕質汽碩士學位論文車車身是汽車提高動力性、安全性、降低油耗、節(jié)約材耗、降低成本的關鍵,車身輕量化已成為當前汽車工程的重要研究課題和目標之一。熱成形工藝作為一種材料加工的新技術,通過將鋼板加熱實現相變再沖壓成形并淬火處理,從而獲得抗拉強度高達以上的零部件,可組焊成高強度駕乘單元,承受噸以上的靜壓而不損壞。采用這種超高強度鋼結構件,可明顯提高汽車的碰撞安全性,同時通過減小壁厚或截面、減少汽車裝配環(huán)節(jié)中的零部件的數量與尺寸,從而實現汽車輕量化。正因為熱成形的技術優(yōu)勢,才使得高強度鋼熱成形技術正受到全球汽車廠商和鋼鐵生產企業(yè)的青睞和極大關注。.課題主要研究內容由傳統(tǒng)冷沖壓成形轉變?yōu)闊岢尚尾粏问呛唵蔚摹袄滢D熱”的過程,更涉及到十分復雜的溫度場、應力場及微觀相變等多物理場耦合問題,以及熱邊界摩擦非線性力學問題。高強鋼板熱成形的復雜性決定了不僅要克服成形過程中熱成形缺陷的產生,諸如:局部過分軟化、縮頸、破裂、起皺。馬氏體轉變不均勻等,還要實現最佳的奧氏體.馬氏體化溫度、最佳模內冷卻速率、最佳成形壓力、最佳保壓時間等優(yōu)化問題。 本文主要研究內容分為以下幾方面:闡述了熱塑性變形過程中的傳熱學基本理論,并介紹和推導了熱傳導中的變分原理及有限元求解過程,論述了金屬熱塑性成形模擬的熱.力耦合技術;研究了熱塑性金屬材料硼鋼的流變應力受溫度及應變速率等的影響規(guī)律,并繪制了硼鋼的曲線,觀察了不同冷卻速率對組織轉變的影響;論述了金屬熱成形的變形機理及影響因素。論述了熱成形模具冷卻系統(tǒng)設計的基本要求,并基于傳熱學原理計算了冷卻管段直徑與冷卻管道根數之間應滿足的關系式;基于材料的彈塑性,建立了冷卻管道間距應滿足的力學關系式;并將冷卻管道模具的力學模型簡化為簡支梁,根據彎曲強度校核條件,建立了冷卻管道與承載型面間距應滿足的公式。最后基于上述關系式,設計“中氣”轎車車門防撞梁熱成形模具。應用了一種熱成形模具冷卻系統(tǒng)數值模擬新方法一一體積流法。并將該方法應用于“中氣”轎車前門防撞梁模具的前期開發(fā)中,并指導模具冷卻管道布置,取得了良好的應用效果。在此基礎上,研究了冷卻水流速、冷卻管道直徑、板料初溫、模具溫度、沖壓速度等對熱成形工藝過程的影響規(guī)律。對該車門防撞梁熱成形件的力學性能進行研究。對該車門防撞梁冷、熱成形件進行靜態(tài)承載性能試驗和抗沖擊吸能試驗,對比冷、熱成形防撞梁在抗凹陷、抗沖擊與吸能性能方面的差異,從而得出結論:采用熱成形的防撞梁可以在保證碰撞安全性能的基礎上實現車身輕量化的目的。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究第章金屬板料熱成形機理板料塑性成形是利用金屬材料的塑性,使其在一定的外力作用下成形并獲得具有一定力學性能制件的一種加工方法,其具有效率高、材料利用率高的特點。板料熱成形是在冷沖壓的基礎上,將板料加熱奧氏體化,并快速成形與淬火,實現組織的再結晶的一項新型加工工藝。熱成形過程中伴隨著溫度場、應力場及微觀組織的不斷變化與相互作用,整個過程涉及幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性于一體的高度非線性問題。.金屬熱塑性加工中的傳熱學理論熱傳導、熱對流和熱輻射是熱能的傳遞的三種基本方式。分別論述如下】:.熱能傳遞的基本形式.熱傳導熱傳導 ,簡稱導熱,是指物體各部分之間不發(fā)生相對位移時,依靠自由電子、分子及原子等各種微觀粒子發(fā)生熱運動產生的熱能傳遞。熱傳導現象的規(guī)律由傅里葉定律給定:一 .式中,為熱導率,或稱導熱系數 ,負號表示熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反。.熱對流熱對流 是指由于流體的宏觀運動引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移,冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。對流換熱可分為:自然對流和強制對流。對流換熱一般采用如下公式計算:流體被加熱時庇。一 .流體被冷卻時乃 ?。 .式中,。及,分別為壁面溫度和流體溫度,;比例系數稱為對流換熱系數 ,單位是/?。對流換熱系數的影響因素眾多,其不僅取決于流體的物理特性允、叼、等以及換熱表面的形狀、大小與布置,而且還與流速有密切的關系。因此,對流換熱的研究重點就在于的精確計算,常用方法有理論分析、數值模擬或實驗測碩士學位論文定。.熱輻射物體內部熱量以電磁波形式傳遞的方式稱為熱輻射。自然界中,每個物體都在不停地向空間發(fā)出熱輻射,同時又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。熱傳導和熱對流這兩種熱量傳遞的方式通過介質才能實現。而熱輻射則不需要借助于介質,其可以在真空中傳遞,而且真空中熱輻射最有效。實驗表明,物體的輻射能力與溫度有關,而相同溫度下不同物體的輻射與吸收能力又不一樣。物體熱輻射的計算一般由斯蒂潘.波爾茲曼定律的修正公式給定:.式中,為物體的發(fā)射率,即習慣上稱為黑度,其總值小于。以上分別討論了熱量傳遞的三種基本方式:傳導、對流和輻射。在實際工程應用中,這三種方式往往是同時發(fā)生的。.塑性變形過程中的傳熱學基本方程.熱平衡方程根據能量守恒原理,固體傳熱過程的熱平衡方程為: 。?西一誓等誓卜臚魯 蘇 卻 昆式中,、。、:分別為、方向的熱流密度;雪為單位體積的內部熱源在單位時間內所產生的熱量。將模具體看作是剛性的,則其不產生任何變形,內部無內熱源,此時可以將工件內部的塑性變形功率轉看作是內熱源,即:石, 、 ;模具:/仃 口模具 式中,虧、萬分別為等效應變速率和等效應力;叼為熱生成效率,一般可取為/.。在研究固體間熱傳導時,熱流密度與溫度梯度的關系可假設成正比,即:. 丁而一兄而一式中,是某一方向的導熱系數。對已各向同性材料,則有,九,:允,于是公式.可轉化為:四臚署曇罷茜九茜毫老口公式.即固體熱傳導的熱平衡微分方程。? 熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究昌;釜二蘭二釜;.初始條件、邊值條件初始條件是指在初始時刻固體內部溫度場的分布情況,即:,少,瑚,.式中,表示在時刻時所規(guī)定的溫度分布。邊界條件指固體表面與周圍介質環(huán)境之間的相互作用,一般有四種形式:第一類邊界條件固體溫度邊界條件是時間的已知函數,即在邊界.上, 當時:丁,瓦,.第二類邊界條件固體邊界上的熱流密度為已知,即當時:允。,:。.咖 瑟。式中,為邊界外法線的方向余弦。第三類邊界條件.對流邊界固體邊界與流體接觸時,通過固體邊界的熱流密度與固體的溫度邊界條件和流體溫度之差成正比,即在邊界上:、 。. ?。,娶瓦 咖,豢乞:一辦一弓 出式中,為對流換熱系數;巧:為流體溫度,由公式. 可知,當專。時,一,:,即丁,此時轉化成第一類邊界條件。輻射邊界高溫成形時熱輻射耗散的熱量在總傳熱量中占較大比重,輻射時熱流密度為:,巧弦疋 .式中,仃為斯蒂芬波爾斯曼.常數,為物體表面輻射率,為環(huán)境溫度。第四類邊界條件絕熱邊界條件,代表溫度梯度在邊界法線方向為,即:.一?殺在。上玎式中,表示邊界的外法線方向。.熱傳導變分原理及有限元求解式.變分原理固體間接觸熱傳導求解時需聯立邊界條件和初始條件求解平衡方程。一般方法是,將求解微分方程的問題利用變分法轉化為求解泛函的極值問題?？?允瓦碩士學位論文與公式.及其邊界條件對應的泛函如下:州去晰驢九研允警撇.?,甄臚詈一雪卜舭妒冊:步吉丁一無丁聲,伊一疋丁,當泛函丌取極值時,泛函:的方程可使,在固體內部內滿足熱平衡求解微分方程及其初始邊值條件。由于泛函萬同時為時間和坐標的函,故不僅要對時間域進行離散化處理,還需要對空間域同時離散化處理。對時間和空間欲離散化處理后,將求解域劃分為有限個單元,與此同時泛函?可由各單元泛函丌。之和表示。泛函取極值時則有:旦幽:億初始條件給定后,溫度場即可通過上式求解出。.有限元求解式在有限元數值模擬中,一般用節(jié)點處的溫度表示單元內任意一點的溫度,即:喳 。.式中,為形函數,丁。為單元節(jié)點處的溫度向量矩陣。用單元節(jié)點處的溫度變化率插值表示單元內任意一點的溫度變化率,即:望:?.于是有:舐 敘。 舐“豢警警巧警疋 敘丁一.?一正蘇/ 缸絲:.得:將上式代入公式. ,并由公式.。:譬婦,一:。若令:,】,一:?！?則上式為:.熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究公式.和.即為溫度場控制方程的瞬態(tài)求解矩陣形式,其中各分量可以表示成:,脅礦.礦歸.婚.馬,.礦、沁.礦:肛:.&,。.是.焉,.,女舐反舐.鞏卻卻, , ,.熱成形過程的熱力耦合分析熱成形過程中,板料溫度場和應力場在不斷變化的同時兩者相互影響。因此,在熱成形數值模擬中需同時求解給定溫度分布下板料塑性變形方程和熱量傳遞方程,其實質是在某一特定有限元網格上,分別求解受速度變化影響的熱傳導和受溫度變化影響的塑性變形,直至最終獲得收斂解。具體熱力耦合計算步驟如下:計算初始時刻的溫度場瓦;計算初始時刻溫度場不對應的速度場“;利用步驟、的結果來求解初始時刻的溫度率東;博批一憊一孑;刷新節(jié)點最新坐標位置,以及該時間步內單元的等效應變信息;根據前一時間步的速度場,計算溫度場的第一級近似值翹,公式如下:碩士學位論文五熹融:乳一“盧/“計算與溫度場礎對應的新速度場;利用新速度場按下式計算溫度場和第二級近似值:卜蓋聲劃塒重復步驟和步驟,當得到的解收斂時終止;計算下一時間步的溫度率場瓦;重復步驟,直至求解終了。利用上述耦合方法計算時,由于迭代求解時僅對溫度載荷列矩陣產生影響,其余無須再計算,因此溫度場求解時間較短。此外,由于較小的時間步內速度場的變化對溫度的波動不敏感,導致溫度場耦合計算影響速度場的迭代次數和收斂性。.熱塑性金屬材料特性.硼鋼性能試驗本研究基于一種牌號為的硼鋼材料。參考文獻【】,其材料成分如下表.:表. 材料成分的質量百分含量%提供的硼鋼不同溫度下圖.為根據的應力.應變數據繪制的曲線。由圖可知,溫度對流變應力有顯著影響,當板料溫度為時,板料應力為左右,而當板料溫度升到時,材料的流變應力降至左右,因此,在熱成形中,升高板料的變形溫度可以降低材料的流動應力,成形力降低,從而可降低壓機的噸位。圖.為根據 提供的硼鋼不同應變速率下的應力.應變數據繪制的曲線。由圖可知,在一定溫度下,隨著應變速率的增大,材料的流動應力水平提高,材料的流動應力受應變速率影響較顯著。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究./.一 一一 一一彤氬至、奄錒芻蝎弱的巧加攄; . . . . .圖.溫度對熱成形鋼板流動:,亍為的影響.?。?;墨.一一?.?:專.一生.一:,.的?。王:一一一.一:一蚺蚺蚺彤一.?:. . . . .圖.應變率對熱成形鋼板流動行為的影響圖.為高溫奧氏體狀態(tài)下,溫度對板料各向異性系數的影響,可見,隨溫度升高,越趨近于,在高溫均勻奧氏體中,板料的各項異性特性不明顯,但在板料。軋制方向的值略大于。和。方向。碩士學位論文. /. 。圈曩個, .厶.協(xié)一加們加。 。 ”?.高溫均勻奧氏體下溫度對各向異性系數的影響.曲線的測定鋼的曲線是分析、判斷和預測鋼在連續(xù)冷卻過程中,奧氏體的轉變規(guī)律及其轉變產物的組織和性能的依據,其重要性早已被材料科學工作者和工程技術?人員所共識。圖.為在上海大學熱模擬試驗平臺上將板厚為.的鋼板以/的速度加熱到。后保溫,然后以不同的冷速冷卻,利用膨脹法測量的曲線。憾贈時間/圖.熱成形鋼板的曲線由繪制出的曲線可知,當冷速低于/時,鋼板主要由鐵素體、珠光熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應用研究體、少量貝氏體和馬氏體組成;而當冷速在 /時,則鋼板主要由貝氏體和馬氏體組成;當冷速大于/時,則鋼板只發(fā)生馬氏體轉變。臨界冷卻速度大約為。/。.金屬材料熱成形機理板材熱成形工藝就是利用高溫狀態(tài)下金屬的塑性較好、屈服強度減小特點,在熱成形模具上使零件成形的工藝。它主要是用來加工常溫下冷成形困難或者無法成形的高強度、形狀復雜的零件。熱成形生產中,將硼鋼板料加熱到約以上,使其均勻奧氏體化,從而降低板料的成形力,提高板料的成形性。此外高溫成形之后保壓冷卻,使板料在凸、凹模型腔內保壓淬火,從而得到力學性能優(yōu)異的超高強度鋼制件,圖.給出了熱成形的具體工作流程。圈.熱成形工藝流程鋼板熱成形過程中的工件和模具接觸淬火過程是一個典型的溫度、組織轉變、應力相互作用的過程。其相互作用關系如圖.所示:表示溫度對應力的影響,主要表現為熱應力;表示應力對溫度的影響,主要表現為變形功轉化成的熱能反過來對溫度分布的影響,但在模具淬火過